(57)【要約】【課題】  熱交換効率が高く、体積が小さくさらに圧損が小さい熱交換器を提供する。【解決手段】  中径管３の内部に複数の細径管５が設置されている。細径管５はＳＵＳ製チューブである。接続用チューブ９と蓋８とは溶接部１０で溶接により接続されており、蓋８は溶接部４で中径管３の上下に溶接されている。ロッド６は細径管５が中径管３内で位置がずれないように隙間に挿入されているものであり、中径管３内部の熱伝導効率を高める働きも同時にしている。温度センサ１２が中径管３の外部を測定し、ヒータ１１により加熱され断熱材１５により保温されることにより、細径管５は一定温度に制御される。送液ポンプ接続用チューブから送液された移動相は蓋８をとおり、細径管５の内部および細径管５同士の間を流れ、流れる過程で熱交換され温度制御装置１３により制御された温度に達する。【選択図】  図１
0003117246.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
金属管外周にヒータと断熱材を備え、該金属管内に複数の金属製チューブを備え、複数の金属製チューブの両端が接続用チューブを備えた金属製蓋と送液可能なように接続されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
金属管と接続用チューブを備えた金属製蓋が溶接されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
金属管と接続用チューブを備えた金属製蓋がガスケットを挟んでねじ込むことにより結合されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、液体クロマトグラフィーに使用することができる、溶媒を一定温度に保持する熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体クロマトグラフィー、特にゲル浸透クロマトグラフィー（Ｇｅｌ  Ｐｅｒｍｅａｔｉｏｎ  Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ、以下ＧＰＣと略称する）では、試料成分は基本的にカラム内で排除限界と浸透限界の間に溶出する。この領域では分子量を擬似的に溶出時間の指数関数とみなすことができ、これに基づき分子量分布測定が行われる。よって、通常の液体クロマトグラフィーの定量分析と異なり、溶出時間が僅かでもずれると測定結果が大きく変わってくる。温度が変化すると溶媒の密度が変化し、液体クロマトグラフィーにおいては送液ポンプにより送液する流量が変化してしまう。したがって、室温変化に伴う移動相の密度変化による流量の変化が溶出時間の最大の変動要因であるため、移動相温度および送液ユニット周辺の温度を一定に保つことがＧＰＣの精度を向上させるうえで重要となる。
【０００３】
そこで、種々の温調方法が考えられるが、代表的なものにＳＵＳチューブをコイル状に巻いた熱交換器を送液ポンプ入口に設けたものがある。図３に従来の熱交換器を有する液体クロマトグラフィーの送液部分の概略構成図を、図４に従来の熱交換器を示す。リザーバ瓶３１内には移動相がはいっており、送液ポンプ３８により送液される。移動相は脱気装置３３で溶液に溶解している気体成分が取り除かれ、熱交換器３５により一定温度に制御される。熱交換器３５は図４に示すようにＳＵＳチューブをコイル状に巻いたコイル管４１の周囲にヒータ４３と断熱材４６が設けられており、温度センサ４４によりヒータ４３近辺の温度を測定する。ヒータ４３と温度センサ４４は温度制御装置４５に接続されており、温度センサ４４からの信号によりヒータ４３の出力を制御することにより、コイル管４１の温度を一定に制御できるようになっている。コイル管４１としては外径１．６ｍｍ、内径１．０ｍｍ程度のＳＵＳ製チューブが一般的に用いられている。熱交換器３５を流れる移動相は熱交換器３５内で熱交換され、ヒータ４３の設定温度に温度調整されたのち送液ポンプ３８に達し、一定の流速でインジェクタ(図示せず)へと送液される。
【０００４】
熱交換器３５においては、ヒータ４３からの熱をコイル管４１およびコイル管４１内を流れる移動相に効率よく伝導させ、コイル管４１およびコイル４１管内を流れる移動相の温度を一定に制御するために、図４の破線で示したコイル管４１の周囲の部分を溶融金属で鋳込む等の処置が必要である。
【０００５】
熱交換器に関する先行技術文献を調査したが発見されなかった。
【考案の開示】
【考案が解決しようとする課題】
【０００６】
液体クロマトグラフィーでは種々の溶媒が移動相として用いられるため、移動相が接する部分は耐食性が必要となる。そのため、使用できる金属としては熱伝導率の悪いＳＵＳを使用しなければならない。ＳＵＳを熱交換器として用いるため、熱交換効率を十分に上げるためにはチューブの長さを長くする必要があるが、その場合には種々の問題点が発生する。
【０００７】
ＳＵＳチューブを用いた熱交換器は図４に示すようにコイル状に巻いたものが一般的であるが、チューブ長さを長くすることによりチューブが占める体積が大きくなり、送液ポンプ内に設置することができない。よって、図３に示すように熱交換器３５を送液ポンプ３８の外付けにしなければならないが、外付けにすると移動相が送液ポンプ３８に届くまでに放熱されて温調の効果が悪くなり、移動相の温度を一定にコントロールすることが困難である。
【０００８】
また、ＳＵＳチューブの長さを長くすることにより、圧力損失が大きくなる。吸引抵抗が大きくなることによる減圧と、室温より高い温度で温調することにより、移動相中で気泡が発生しやすくなる。液体クロマトグラフィーにおいては気泡の発生により測定を中断しなければならない。
【０００９】
コイル状のチューブを溶融金属で鋳込むことにより、熱交換器全体の体積はより大きくなってしまう。溶融金属を鋳込む代わりにヒータおよび断熱材を直接チューブに巻くこともできるが、この場合はチューブとヒータの間に隙間ができてしまい、この隙間部分の空気層が熱伝導の阻害になり、熱交換効率を悪化させる。
【００１０】
本考案は、上記問題を解決するためになされたものであり、熱交換効率が高く、体積が小さくさらに圧損が小さい熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記問題を解決するため、本考案の熱交換器は、金属管外周にヒータと断熱材を備え、その金属管内に複数の金属製チューブを備え、複数の金属製チューブの両端が接続用チューブを備えた金属製蓋と送液可能なように接続されているものである。
【００１２】
金属製チューブと接続チューブを備えた金属製蓋との接続は溶接方式と、ガスケットを挟んでねじ込む結合方式がある。金属製チューブの内径は０．１ｍｍから０．７ｍｍが適しており、肉厚は０．０５ｍｍから０．２ｍｍ程度が適している。金属製チューブの肉厚は熱交換効率を考えるとき、薄ければ薄いほうが効率はよくなるが、強度、成形性から０．０５ｍｍ以下にすることは難しい。内径も細ければ細いほど熱交換効率はよくなるが、圧損を考慮するとき０．１ｍｍ以下のチューブを使用することは困難である。内径が０．７ｍｍ以上では細管内での接液面積が小さくなり、十分な熱交換効率を得ることが困難となる。
【考案の効果】
【００１３】
本考案によれば、耐食性を有するが熱伝導率の悪いＳＵＳチューブを使用しているが、細径管を適当な長さに切断し、それを束ねて中径管に納めた構造とし、それぞれの細径管の両端を送液可能なように中径管の蓋と接続することにより、それぞれの細管内での流速は低流速であり、細管内での接液面積を大きくすることができ、低圧力損失、小容量でありながら高熱交換効率を実現可能としている。
【考案を実施するための最良の形態】
【００１４】
細径管を束ねた構造と従来のチューブをコイル状に巻いた構造とで流速およびチューブ内面接液面積とを比較してみる。コイル状熱交換器のチューブ断面積をＡ、細径管の断面積をＢ、細径管の本数をｎとすると細径管内での流速はコイル状と比較し、Ａ／（Ｂ×ｎ）まで低下される。尚、ＳＵＳ製細径管は外径０．５〜１．０、内径０．４〜０．９ｍｍ程度のものが市販されている。また、チューブ内面に液が接する面積はコイル状熱交換器の場合、チューブ内径をｄ１、長さをＬ１とするとｄ１×π×Ｌ１となり、細径管を束ねた構造の場合、細径管内径をｄ２、１本の長さをＬ２とするとｄ２×π×Ｌ２×ｎとなる。チューブ内面接液面積はその他の条件が同等であれば熱交換効率と等しくなる。
【００１５】
ＧＰＣにおいては流量条件は層流であり、流れが層流である場合、圧力損失はチューブ長さと流量に比例し、チューブ内径の４乗に反比例する。流量をＱとすると、コイル状熱交換器の圧損は（Ｌ１×Ｑ）／ｄ１4となり、細径管を束ねた構造の熱交換器の圧損は（Ｌ２×Ｑ／ｎ）／ｄ２4となる。熱交換器の大きさ（容積）を同じにした場合、ｄ１×π×Ｌ１＜ｄ２×π×Ｌ２×ｎと同時に、（Ｌ１×Ｑ）／ｄ１4＞Ｌ２×Ｑ／ｎ）／ｄ２4を達成することは容易であり、低圧力損失、高熱交換効率を実現することが可能である。
【実施例１】
【００１６】
以下、本考案の実施の形態を図を参照しながら詳細に説明する。図１は本考案の熱交換器の概略構成断面図を示したものである。図１（ａ）が垂直方向の断面を示しており、図１（ｂ）が水平方向の断面を示している。本考案の熱交換器１は、ＳＵＳ製の中径管３と、ＳＵＳ製の細径管５と、ＳＵＳ製のロッド６と、ＳＵＳ製の蓋８と、送液ポンプ接続用チューブ９と、溶接部４、１０と、ヒータ１１と、温度センサ１２、温度制御装置１３および断熱材１５とから構成されている。
【００１７】
中径管３は内径１３ｍｍ、外径１５ｍｍ、長さ２０ｍｍであり、中径管３の内部に複数の細径管５が設置されている。細径管５は内径０．７ｍｍ、肉厚０．１５ｍｍ、長さ２０ｍｍのＳＵＳ製チューブであり、合計８５本を設置している。送液ポンプ接続用チューブ９と蓋８とは溶接部１０で溶接により接続されており、蓋８は溶接部４で中径管３の上下に溶接されている。ロッド６は細径管５が中径管３内で位置がずれないように隙間に挿入されているものであり、中径管３内部の熱伝導効率を高める働きも同時にしている。ヒータ１１および温度センサ１２は温度制御装置１３に接続されており、温度センサ１２が中径管３の外部を測定し、ヒータ１１により加熱され断熱材１５により保温されることにより、細径管５は一定温度に制御される。送液ポンプ接続用チューブから送液された移動相は蓋８をとおり、細径管５の内部および細径管５同士の間を流れ、流れる過程で熱交換され温度制御装置１３により制御された温度に達する。
【００１８】
図１に示す熱交換器１と図４に示す従来の熱交換器３５との性能を比較する。従来の熱交換器３５のコイル管４１を、最もよく使用されている外径１．６ｍｍ内径１．０ｍｍのＳＵＳ製チューブで作製し、本考案の熱交換器１と同じ体積になるようにするとコイル管４１の長さは４００ｍｍとなる。このとき、コイル管４１においては移動相がコイル管４１の内面に接する面積は１２５６ｍｍ2であり、これに対して本考案の細径管５において移動相が細径管５の内面に接する面積は３７３７ｍｍ2であり、約３倍の面積を有する。移動相の流量を最も一般的な値である１ｍＬ／ｍｉｎ．とすると、コイル管４１を流れる移動相の速度は１２７４ｍｍ／ｍｉｎ．であり、細径管５を流れる移動相の速度は３０ｍｍ／ｍｉｎ．である。流れが層流の場合、圧力損失はチューブの長さと流量に比例し、チューブ内径の４乗に反比例する。流量はどちらの場合も同じであり、コイル管４１に対して細径管５は内径が０．７倍、本数が８５倍であるので、細径管５における圧損はコイル管４１の１／４００となる。また、熱交換容量（コイル管内の容量あるいは細管内の容量）はコイル管４１の３１４ｍｍ3に対し細径管５は６５５ｍｍ3である。つまり、本考案の熱交換器においては従来の熱交換器と比較し３倍の接液面積、２倍の熱交換容量と１／４００の圧損を有するというものが実現でき、低圧力損失、高熱交換効率を同時に実現している。
【実施例２】
【００１９】
図２に本考案の第２の実施例の構成断面図を示す。本実施例においては細径管５として内径０．３ｍｍ、肉厚０．１ｍｍ、長さ２０ｍｍのＳＵＳ製チューブを合計３３８本を設置している。中径管３、ヒータ１１、断熱材１５は第１の実施例と同じである。本実施例においては、中径管３と蓋８にはそれぞれ、ねじ部２２、２３にねじが切られており、蓋８を中径管３に溶接するのではなく、フッ素系のガスケット２０を中径管３と蓋８との間に挟んでねじ込むことにより気密性を保持している。
【００２０】
第１の実施例と同様に従来の熱交換器３５と性能を比較すると、本実施例の細径管５において移動相が細径管５の内面に接する面積は６３６８ｍｍ2である。移動相の流量を同様に１ｍＬ／ｍｉｎ．とすると、細径管５を流れる移動相の速度は４２ｍｍ／ｍｉｎ．である。これより細径管５における圧損はコイル管４１の１／１００となる。また、熱交換容は４７８ｍｍ3である。つまり、本考案の熱交換器においては従来の熱交換器と比較し、５倍の接液面積、１．５倍の熱交換容量と１／１００の圧損を有するというものが実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
液体を一定温度で制御する必要のある装置、例えば化学反応装置、培養器等に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本考案の第１の実施例の熱交換器の概略構成断面図である。
【図２】本考案の第２の実施例の熱交換器の概略構成断面図である
【図３】従来の熱交換器を有する液体クロマトグラフィーの送液部分の概略構成図である。
【図４】従来の熱交換器の概略構成図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  熱交換器
３  中径管
４、１０  溶接部
５  細径管
６  ロッド
８  蓋
９  送液ポンプ接続用チューブ
１０  溶接部
１１  ヒータ
１２  温度センサ
１３  温度制御装置
１５  断熱材
２０  ガスケット
２２、２３  ねじ部
３１  リザーバ瓶
３３  脱気装置
３５  熱交換器
３８  送液ポンプ
４１  コイル管
４３  ヒータ
４４  温度センサ
４５  温度制御装置
４６  断熱材
【図１】
0003117246.tif 000003
【図２】
0003117246.tif 000004
【図３】
0003117246.tif 000005
【図４】
0003117246.tif 000006